巖溶水資源評價方法

巖溶水資源評價方法第一頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法研究的必要性近年來由于用水量的增加,無節(jié)制地開采地下水,水資源管理不善,在長期開采地下水過程中,引發(fā)了區(qū)域地下水位下降、抽水井單井涌水量減小、水質(zhì)惡化、巖溶塌陷等一系列環(huán)境地質(zhì)問題。目前這些問題還有繼續(xù)加劇的趨勢。水資源已成為經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展的制約因素。巖溶水是優(yōu)質(zhì)的供水水源，針對巖溶水特點，進行水資源評價，合理開發(fā)利用和管理水資源，是亟待解決的關(guān)鍵問題。巖溶水評價是目前地下水資源評價中的一個難題。由于巖溶水分布規(guī)律和運動途徑一般不易查清,運動規(guī)律研究得還不夠,因而到目前為止尚未找到能正確表征巖溶水運動規(guī)律的方程。2第二頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源分布及特點巖溶水資源分布碳酸鹽巖出露面積約占全國陸地面積的十分之一左右全國巖溶水天然資源約占全國地下水天然資源的四分之一巖溶水天然資源絕大部分集中分布于濕潤的南方,云南、廣西、四川、貴州、湖南和湖北等省裸露和半裸露巖溶地區(qū)3第三頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源分布及特點巖溶水資源特點

一個地區(qū)巖溶地下水資源的形成是含水結(jié)構(gòu)、補給條件、水動力條件、水化學(xué)條件等綜合作用的結(jié)果。巖溶水含水結(jié)構(gòu)復(fù)雜,補給方式多樣,富水不均勻性強,水動力條件復(fù)雜、因此,應(yīng)該從獨立的水文地質(zhì)單元出發(fā),把其視為一個完整的系統(tǒng),研究其特有的結(jié)構(gòu)、邊界條件及完整的補徑排體系。水資源管理難度大

--碳酸鹽巖特有的不同巖性結(jié)構(gòu),經(jīng)巖溶化作用的結(jié)果,形成不同形狀，大小和不同性質(zhì)的含水空間。再加上巖層構(gòu)造上的差異，使含水空間分布極不均勻，富水性差異大。巖溶水系統(tǒng)的邊界條件

--接受地表水補給或向地表排泄的邊界，與可溶巖接觸的隔水邊界，有地下分水嶺存在的隔水邊界，斷層隔水或阻水邊界，地下徑流進出口邊界4第四頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源分布及特點巖溶水資源特點巖溶水補徑排條件

--巖溶含水層構(gòu)造、埋藏條件及邊界條件的差異決定了巖溶水補徑排方式的多樣化。南方巖溶水特點

--南方碳酸鹽巖分布廣,質(zhì)純,厚度大,巖溶發(fā)育強烈而不均勻,廣泛發(fā)育有地下暗河。水量豐富,水位和水量變化大,補給、徑流和排泄較迅速,巖溶水資源形成周期較短,常具有月調(diào)節(jié)特征，其開發(fā)利用程度較低。北方巖溶水特點

--北方巖溶發(fā)育相對較弱,以溶蝕裂隙為主。含水體具有統(tǒng)一地下水面,儲水和調(diào)節(jié)庫容較大,具有多年調(diào)節(jié)特征。巖溶水多以泉群形式集中排泄,泉水流量大而穩(wěn)定，其開發(fā)利用程度較高。5第五頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶地下水資源評價研究意義巖溶地下水系統(tǒng)是一個開放、半封閉體系，它與外界環(huán)境有物質(zhì)、能力以及信息的交換。所以對于巖溶水的研究應(yīng)該綜合考慮自身及外界的影響，使研究成果具有更大置信度和更好精度。巖溶地下水富水性是指地下水系統(tǒng)的儲存能力和巖溶水的分布規(guī)律，反應(yīng)了水資源空間分配和時間分配情況，是合理開發(fā)水資源和有效調(diào)度水資源的理論依據(jù)。如何能準確評價地下水的富水性，對水資源的有效利用有著重要的現(xiàn)實意義。6第六頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價的研究現(xiàn)狀

目前有很多模型、方法或技術(shù)應(yīng)用于巖溶水資源的評價。但是基于地下巖溶條件的復(fù)雜性和多變性，采用怎樣的方法進行評價，一直為人們所討論。在以往包括現(xiàn)有的巖溶水資源評價的研究中存在很多的局限和不足，但是人們一直在不斷的探索和嘗試新的方法，針對不同的巖溶研究區(qū)，建立適合該區(qū)的水資源評價體系。隨著數(shù)學(xué)及計算機技術(shù)的普及，越來越多的新方法新理論被嘗試應(yīng)用于巖溶水資源的評價中，例如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、時間序列法、層次分析法、系統(tǒng)分析法，GIS方法等。并且隨著地質(zhì)監(jiān)測手段的不斷發(fā)展，許多依賴于準確含水層參數(shù)的定量評價方法也逐漸的受到關(guān)注，數(shù)值模擬的方法綜合了地質(zhì)條件、數(shù)學(xué)以及計算機技術(shù)，該方法在巖溶水資源評價方面將有很大的發(fā)展前景。

7第七頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法及實例應(yīng)用GIS原理評價巖溶水資源評價層次分析法人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法水均衡原理定量評價巖溶水資源系統(tǒng)分析法8第八頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（1）基于GIS原理評價巖溶地下水富水性

巖溶地下水富水性評價GIS方法原理GIS空間分析方法原理

--GIS以地理空間數(shù)據(jù)庫庫為基礎(chǔ)，運用系統(tǒng)工程和信息科學(xué)的理論，采用地理模型分析方法，通過提供多種空間和動態(tài)的地理信息，產(chǎn)生對資源環(huán)境、災(zāi)害防治、區(qū)域規(guī)劃和管理決策等方面的有用信息。

巖溶地下水資源評價GIS方法原理

--該方法的基本思想是獲取巖溶地下水富水性的決定因素，將其分類歸納，利用GIS分別建立影響因子的柵格要素曾，按照影響因子的影響性大小，進行空間疊加分析，最終得到綜合評價下的富水性分布規(guī)律。9第九頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（1）基于GIS原理評價巖溶地下水富水性

巖溶地下水資源影響因子水文地質(zhì)環(huán)境因子

--包括巖溶地下水的補給、排泄和徑流區(qū)的劃分，巖溶發(fā)育程度，巖性，含水層類型及含水層厚度構(gòu)造環(huán)境因子

--包括斷層、斷裂富水性分帶，向斜、背斜富水性等氣象環(huán)境因子

--包括降雨、蒸發(fā)的時空分布其他環(huán)境因子

--地下水動態(tài)、人工開采、生態(tài)環(huán)境

10第十頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（1）基于GIS原理評價巖溶地下水富水性

獲取巖溶地下水富水性的決定因素建立評價模型利用GIS分別建立各影響因子的柵格數(shù)據(jù)層按因子影響性大小進行空間疊加分析得出綜合評價下的富水性分布規(guī)律巖溶水資源評價GIS方法步驟影響因子的選擇與獲取11第十一頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（1）基于GIS原理評價巖溶地下水富水性實例

2006年邱士利將GIS方法與地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)以及非線性模型相結(jié)合，選取了廣西黎塘地區(qū)為研究區(qū)，定量評價了巖溶地下水富水性。定量分析了巖溶發(fā)育程度、斷層構(gòu)造、地下河系、地貌類型、含水層組和地下水水位變幅六個影響因子。確定各影響因子的影響權(quán)重建立了該區(qū)巖溶地下水富水性評價模型對黎塘地區(qū)巖溶水資源進行定量評價12第十二頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（2）基于層次分析法的巖溶水資源評價

找出巖溶水資源的控制因素氣候、巖溶發(fā)育程度、巖溶帶的連續(xù)性和阻水性結(jié)構(gòu)、巖層傾角、地形地貌、植被覆蓋率等確定各影響因子的權(quán)重確立隸屬關(guān)系、建立正互反矩陣、歸一化處理、一致性檢驗計算表層巖溶水調(diào)節(jié)系數(shù)參照標(biāo)準，確定因子的分值，結(jié)合權(quán)重計算出特征分值，即為調(diào)節(jié)系數(shù)巖溶水資源計算13第十三頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（2）基于層次分析法評價巖溶水資源實例

王偉等2007年將基于層次分析法的表層巖溶水資源評價方法引入到貴州高原的大小井流域。用該方法量化了影響表層巖溶帶系統(tǒng)調(diào)節(jié)表層巖溶水能力的主要因素以大小井流域的巖溶泉作為比擬對象最終計算出區(qū)域表層的巖溶水資源量并進行模擬分析14第十四頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（3）基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價巖溶水資源人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價方法的引入巖溶水評價中存在的問題--巖溶水評價是目前地下水評價中的一個難題。但是巖溶水分布規(guī)律和運動途徑一般不易查清，運動規(guī)律研究的不夠，因而到目前為止尚未找到確切刻畫巖溶水運動規(guī)律的方程，

這就使得巖溶水評價數(shù)學(xué)模型往往借用多孔介質(zhì)或雙重介質(zhì)模型,影響評價精度。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法用于巖溶水資源評價的引入

--人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自組織、自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力，其中BP網(wǎng)絡(luò)是一種非線性映射人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對于任何閉區(qū)間連續(xù)函數(shù)都可以用一個隱層的BP網(wǎng)絡(luò)來逼近。因此可用一個三層BP網(wǎng)絡(luò)逼近模擬巖溶地下水系統(tǒng)。15第十五頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（3）基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價巖溶水資源BP網(wǎng)絡(luò)模擬巖溶地下水系統(tǒng)的原理網(wǎng)絡(luò)的建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖輸入層有Ni個結(jié)點，隱含層有Nh個結(jié)點，輸出層有N0個結(jié)點，其中Ni由影響地下水系統(tǒng)的因素個數(shù)決定，N0由地下水系統(tǒng)響應(yīng)的個數(shù)決定。16第十六頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（3）基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價巖溶水資源BP網(wǎng)絡(luò)模擬巖溶地下水系統(tǒng)的原理網(wǎng)絡(luò)的建立Nh的范圍由以下三個方程決定式中：p—樣本數(shù)；-為大于1小于10的整數(shù)上圖中Wi,j表示輸入層與隱含層之間權(quán)值；Wkj表示隱含層和輸出層之間的權(quán)值。17第十七頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（3）基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價巖溶水資源BP網(wǎng)絡(luò)模擬巖溶地下水系統(tǒng)的原理學(xué)習(xí)原理設(shè)有P個樣本，則對于第P個樣本，某一個結(jié)點，其輸入為Xp，i，輸出為Op，j，則：用權(quán)值調(diào)整公式，對于輸出層和隱含層分別為：18第十八頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（3）基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價巖溶水資源BP網(wǎng)絡(luò)模擬巖溶地下水系統(tǒng)的應(yīng)用實例以濟南市為例，對網(wǎng)絡(luò)模型進行訓(xùn)練和擬合。設(shè)定該區(qū)地下水位主要由大氣降水和開采量決定建立一個兩個輸入點、一個輸出結(jié)點的3層BP網(wǎng)絡(luò)模型，隱層取三個結(jié)點。取研究區(qū)1959-1980年的降雨量、開采量輸入，地下水位作為輸出，對資料進行處理、計算、擬合。19第十九頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（4）水均衡原理定量評價巖溶水資源水均衡法引入的原因

鑒于現(xiàn)有的模型很難在巖溶地區(qū)推廣應(yīng)用，都具有一定的局限性，例如地下水動力學(xué)方法大多是建立在含水層過分理想化的基礎(chǔ)上，而巖溶介質(zhì)的特征與理想條件差距甚遠，含水層厚度變化無常，空間展布不規(guī)則，含水介質(zhì)不連續(xù)，非均質(zhì)性明顯。數(shù)值模型是以精確的數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，但是依賴于含水層系統(tǒng)精確的參數(shù)，邊界條件，補徑排關(guān)系等，需要投入大量的資金和勘察工作。統(tǒng)計模型需要掌握大量時間序列資料而以水均衡原理為基礎(chǔ)的巖溶水資源評價方法，不需要考慮含水層的空間展布和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，具有較大的適應(yīng)性。

20第二十頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（4）水均衡原理定量評價巖溶水資源水均衡法原理水均衡方程

對于含水層中任一單元體，某時段內(nèi)凈流入的水量等于引起該單元體在該時段內(nèi)水頭變化所需的水量。對某一研究對象，流入－流出＝體系內(nèi)質(zhì)量變化量。21第二十一頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（4）水均衡原理定量評價巖溶水資源水均衡法方程中各參數(shù)的含義

式中：Q補、Q開、Q雨、Q河、Q灌分別代表巖溶水補給量、開采量、降雨入滲補給量、河水滲漏補給量和灌溉入滲補給量(m3)，α-降雨入滲補給系數(shù)，β-灌溉入滲補給系數(shù)，μ-巖溶巖層綜合給水度，λ-河水入滲補給強度（m3/d）,△H-水位變幅，△t-均衡時間段d，F(xiàn)-巖溶區(qū)面積km2，T-河水位補給時段d，P-降雨量mm，A-降雨入滲補給面積km2，G-田間灌溉水量m3.22第二十二頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（4）水均衡原理定量評價巖溶水資源實例選取山東鄒城電廠附近的供水水源地兩城水源地，運用水均衡方法對其巖溶水資源量進行研究評價。具體如下：收集研究區(qū)長期的降雨蒸發(fā)資料以及地質(zhì)資料。得到研究區(qū)的基本參數(shù)，例如降雨入滲系數(shù)、灌溉入滲系數(shù)、河流入滲補給量，計算區(qū)面積等。設(shè)定補給天數(shù)，根據(jù)水文地質(zhì)系數(shù)，求取研究區(qū)的補給資源和開采資源量。確定研究區(qū)的水資源特征，判斷該區(qū)的供水潛力。

23第二十三頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（5）系統(tǒng)分析法系統(tǒng)分析法的引入巖溶水資源已經(jīng)被廣泛的開發(fā)利用，由于巖溶水賦存和運動的復(fù)雜性，使得巖溶水資源的評價方法一致為人們所探討。以往多把巖溶水介質(zhì)等效視為孔隙介質(zhì)，采用孔隙含水層的評價方法。利用分布參數(shù)的確定性模型要求獲取評價區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)和邊界條件等等。于是系統(tǒng)理論法就被引入了水資源評價的領(lǐng)域

24第二十四頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（5）系統(tǒng)分析法系統(tǒng)分析法的原理

系統(tǒng)理論法是將一個完整的水文地質(zhì)單元作為一個系統(tǒng)考慮,并將進入系統(tǒng)的水量作為輸入信息,將流出系統(tǒng)的水量作為輸出信息,根據(jù)輸入與輸出變量之間的因果關(guān)系應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計的方法建立統(tǒng)計模型或者隨機模型進行水位、水量預(yù)測。巖溶水的形成受很多因素的影響，其間的關(guān)系要借助于數(shù)理統(tǒng)計方法建立相關(guān)分析方程進行動態(tài)預(yù)測，而在復(fù)雜的巖溶水系統(tǒng)中，變量眾多的情況下，運用逐步歸回分析效果更好。25第二十五頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水系統(tǒng)劃分原則⑴以大的河流、流域作為一個系統(tǒng)，一、二、三級系統(tǒng)（單元）按水利部門劃分的流域分級；⑵以完整大泉、地下河流域具有完整獨立輸入、輸出體系的地質(zhì)體作為子系統(tǒng)；⑶四級及四級以下系統(tǒng)（基本單元）必須是具有完整補、逕、排過程的一個地下水系統(tǒng)。編制地下水資源評價流域系統(tǒng)分區(qū)圖26第二十六頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（5）系統(tǒng)分析法逐步回歸分析方法的原理及方法

對于研究的變量y（流量或水位）,雖然從物理意義上選出一些對y有影響的因子,但由于變量y構(gòu)成的復(fù)雜性,其影響因子對y影響的顯著程度,單從物理分析很難判斷,其中有些可能對y影響顯著，有些影響很小，為了避免遺漏影響顯著的因子,在初步選因子時,往往考慮要多一些,再優(yōu)選出影響較大的一些因子,構(gòu)成一個“最優(yōu)線性回歸方程”。原理方法逐步回歸方程的建立是將考慮的因子一個個引入,該引進因子偏回歸平方和經(jīng)檢驗是顯著的。同時每引入一個新因子后,對老因子逐個檢驗,將偏回歸平方和變化不顯著的因子剔除,此過程直到?jīng)]有顯著的因子可以引人為止。27第二十七頁，共三十頁，2022年，8月28日巖溶水資源評價方法

（5）系統(tǒng)分析法逐步回歸分析方法的步驟

確定輸入和輸出信息大氣降雨作為輸入信息，排泄作用的泉群為輸出信息建立系統(tǒng)輸入輸出響應(yīng)方程式Q-輸出響應(yīng)，P-輸入響應(yīng)，W-系統(tǒng)權(quán)函數(shù)水文地質(zhì)條件的概化將含水體、降雨量、泉排量看成是一個線性不隨時間改變的單輸入輸出集中參數(shù)系統(tǒng)求解模型對方程進行離散，確定權(quán)序列，解出權(quán)函